谷歌開發「驗光師演算法」，將加速「終極能源」時代的到來

谷歌一向不缺乏想像力！這一次，他們又將目光瞄準人類的終極能源——核聚變發電。近日，谷歌與全球領先的私營核聚變公司 Tri Alpha Energy 共同開發了一種名叫 「驗光師演算法」（Optometrist algorithm）的計算機演算法。

據周二在《科學報告》雜誌上發表的研究成果顯示，這種演算法將大規模的機器計算與人為判斷結合在一起，使核聚變中等離子體的融合研究速度從之前的一個月變成了僅僅幾小時，系統能量損失率也大幅降低了 50%，實驗效率的顯著提升將有助於核聚變發電早日變為現實。

正如我們所了解的，核聚變就是多個輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量的過程，太陽所產生的巨大能量就是源於聚變反應。如果一旦可以實現可控的核聚變，那麼困擾人類已久的能源問題就將得到徹底的解決。

圖丨核聚變被視作終極能源

而談到核聚變就不能不提及它賴以運行的等離子體。以太陽為例，在其內部，由於高溫高壓，大量原子上的電子被剝離，也就是被電離成帶電荷的離子；這些離子擠在一起形成一團不停碰撞、極為活躍的「熱湯」——這就是被稱為「第四物態」的等離子體。而聚變反應就是在這種等離子體中，氫離子相互碰撞結合的過程。

而從本質上講是因為生成、控制等離子體非常困難，所以，實現可控核聚變的過程就顯得異常複雜。地球上沒有太陽內部的高溫高壓，所以把等離子體維持幾十毫秒就需要大量的能量，這種能耗很難和瞬間聚變所產生的能量做到「收支平衡」。

更重要的是，我們還有精確地控制這團「熱湯」，保證其不會傾瀉；在等離子體中，就算是極小的變化也可能演化成差異極大的後果，這就是核聚變所涉及的非線性現象。於是，計算等離子體的非線性演化過程就成了極具挑戰的難題之一。

圖丨第四物態「等離子體」

考慮到這個問題，Tri Alpha Energy 捨棄了 40 多年來業界一直沿用的傳統環形「托克馬克」（Tokamak ）設計思路，而重新建造了被稱為「場反向配置（field-reversed configuration，FRC）」的獨特裝置。相比之下，它不僅體積更小、設計更簡單，價格更低，最重要的是，裝置內的等離子體隨能量的增加會變得更穩定，而非脫離控制。

為此，Tri Alpha Energy 還建造了一個名叫 C-2U 的等離子電離裝置。C-2U 每 8 分鐘就會「發射」一些等離子體，每一次發射都能夠在 C-2U 的密封真空室中產生兩個旋轉的等離子球，然後以 60 萬英里每小時（約 96.6 km/h）的速度讓它們相撞，產生一個更大、更熱，像橄欖球一樣旋轉的等離子體。

圖丨C-2U裝置的概念模型

之後，科學家用粒子束（其實是中性氫原子）不斷轟擊這個等離子球，讓它保持旋轉。在這之後，他們又會在這個旋轉的等離子球上施加磁場，而等離子體的旋轉時間最長為 10 毫秒。他們正是希望藉此方法來驗證「場反向配置」裝置的可行性。到目前為止，C-2U 已經挑戰了在短時間、有限空間內產生並約束等離子體所消耗的電力極限。

但這為何與谷歌有關係？原來，為了達成技術上的突破，Tri Alpha Energy 團隊需要大量測試常規的實驗模擬條件下性能指標不常見的設備和等離子體。極端情況下，科學家甚至要跟蹤千億級別的粒子個體，如此海量的計算會佔用大量的計算機資源，用谷歌加速科學團隊成員 Ted Baltz 的話來說，「即使搭上谷歌全部的計算能力，也無法解決這個問題。」

在這種發展遇到瓶頸的情況下，Tri Alpha Energy 和谷歌研究部門開展合作，另闢蹊徑地設計出「驗光師演算法」（Optometrist algorithm），來幫助核聚變實驗更快、更高效地產生所需要的等離子體。就像在配眼鏡的時候驗光一樣，這個演算法能夠結合人類偏好和機器來對等離子體進行分析，最終得出結果，專家們就能直接運用自己的判斷力，決定哪些現象是可行的，而哪些現象則對實驗沒什麼幫助。

從中也可以看出，新演算法提供了很好的人機合作模式。Baltz 對此解釋道：「我們最後解決問題的途徑就是 『讓專業的等離子物理學家選擇他們自己認為可行的等離子行為進行實驗，同時不會對機器造成破壞』。這很好的說明了人類和計算機協同工作時，往往比各干各的要好得多。」

圖丨C-2U 的整體展示

如今，C-2U 已經完成了它的歷史使命，被一個更強大且更複雜的名叫 Norman 的新機器所取代（Norman這個名字來自於已逝世的聯合創始人Norman Rostoker），它在等離子加速、中性粒子束等方面的性能都比 C-2U 更加強大，並且擁有一個更複雜的系統，能夠將等離子體約束在某些設定區域內。

圖丨Norman Rostoker 教授

正是因為 Norman 功能更加強大，所以僅僅是它的加壓艙、粒子加速器、電容器組和供能設備就已經佔滿了一層樓的空間。根據了解，Norman 已經在七月初生成了第一批等離子體，如果後續實驗進展順利，Tri Alpha Energy 將開始建造第一台示範性核聚變發電機。

Tri Alpha Energy 總裁兼首席技術官 Michl Binderbauer 評價說：「如果沒有先進的計算能力，要取得這樣的成果可能還得要很多年。」 他也表示，公司計劃在未來十年之內實現用核聚變發電的目標。可喜可賀的是，前美國能源部長 Ernest Moniz 現已加入 Tri Alpha Energy 公司的董事會為其助力。

圖丨Tri Alpha Energy 總裁兼首席技術官 Michl Binderbauer

反觀全球範圍之內，在能源安全問題被反覆討論的當下，人們對於核聚變能源的需求也愈加強烈。在過去的幾十年中，各個機構、政府、企業已經投入了巨資用於核聚變發電的研究。

例如，迄今為止規模最大的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）已經在法國南部建設了接近 10 年。這項價值 180 億歐元的項目囊括了美國、歐盟、中國、印度、韓國、俄羅斯和日本等主要國家，方案依舊是傳統的托克馬克裝置。目標是在 2025 年創造第一個等離子體，然後於 2035 年達到最大功率輸出。如果能成功，ITER 或能成為首個核聚變發電廠。

圖丨國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）項目

除此以外，還有許多團隊也在嘗試設計不同樣式的聚變反應堆，不僅要設計得更好，還得更小。 2016 年，德國開建了價值 10 億歐元的反應堆，其中等離子體環採用了類莫比烏斯環設計，使其具有持續運行的能力，比起脈衝單位的托卡馬克形狀效率更高。

當然，現在的一個新的趨勢就是有一系列的私營公司也在進入這個領域，他們的員工也都是經驗豐富的核聚變研究人員。其中，General Fusion 公司使用熔融鉛和鋰的渦流來容納等離子體，這個方法還得到了亞馬遜老闆 Jeff Bezos 的支持；洛克希德·馬丁公司的臭鼬團隊在 2014 年表示，他們將在十年內製造出卡車尺寸大小的核聚變廠（但因沒有提供足夠細節而受到質疑）；而英國的 Tokamak Energy 公司則利用粒子加速器技術和高溫超導體；還有 Helion Energy 和 First Light Fusion 公司，等等。

圖丨洛克希德·馬丁公司的核聚變裝置

Tokamak Energy 公司總裁 David Kingham 認為，Tri Alpha Energy 的進展令人十分興奮，「雖然政府資助的實驗室往往在基礎研究方面表現優異，但私營公司能更快地實現創新，並且採用新的技術。」

在多種力量的共同努力下，核聚變發電領域的發展前景一片大好，但即便如此，若想實現真正商業化運行的核聚變發電，人類恐怕還要等上幾十年的時間。

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